[論文レビュー] Euclid preparation. XXVII. A UV-NIR spectral atlas of compact planetary nebulae for wavelength calibration

Euclid Collaboration, K Paterson+202 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 9被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、VLT/X-SHOOTERおよびGemini望遠鏡を用いて観測された19個のコンパクトな惑星状星雲（PNe）の高精度なUV–NIRスペクトルアトラスを提示しており、Euclid宇宙ミッションのNISP分光計の波長校正基準を提供する。このアトラスは、可視域で0.1 Å、近赤外域で0.3 Åの精度に達しており、宇宙背景放射の赤方偏移測定に不可欠な5 Å未満の校正精度を実現する。これは、Euclidの銀河クラスタリングおよびダークエネルギー研究において重要である。

ABSTRACT

The Euclid mission will conduct an extragalactic survey over 15000 deg$^2$ of the extragalactic sky. The spectroscopic channel of the Near-Infrared Spectrometer and Photometer (NISP) has a resolution of $R\sim450$ for its blue and red grisms that collectively cover the $0.93$--$1.89 $\micron;range. NISP will obtain spectroscopic redshifts for $3 imes10^7$ galaxies for the experiments on galaxy clustering, baryonic acoustic oscillations, and redshift space distortion. The wavelength calibration must be accurate within $5$Åto avoid systematics in the redshifts and downstream cosmological parameters. The NISP pre-flight dispersion laws for the grisms were obtained on the ground using a Fabry-Perot etalon. Launch vibrations, zero gravity conditions, and thermal stabilisation may alter these dispersion laws, requiring an in-flight recalibration. To this end, we use the emission lines in the spectra of compact planetary nebulae (PNe), which were selected from a PN data base. To ensure completeness of the PN sample, we developed a novel technique to identify compact and strong line emitters in Gaia spectroscopic data using the Gaia spectra shape coefficients. We obtained VLT/X-SHOOTER spectra from $0.3$ to $2.5$ \micron;for 19 PNe in excellent seeing conditions and a wide slit, mimicking Euclid's slitless spectroscopy mode but with 10 times higher spectral resolution. Additional observations of one northern PN were obtained in the $0.80$--$1.90$ \micron range with the GMOS and GNIRS instruments at the Gemini North observatory. The collected spectra were combined into an atlas of heliocentric vacuum wavelengths with a joint statistical and systematic accuracy of 0.1 Åin the optical and 0.3 Åin the near-infrared. The wavelength atlas and the related 1D and 2D spectra are made publicly available.

研究の動機と目的

• 宇宙飛行中のEuclid NISP分光計の波長校正を高精度に実現し、宇宙背景放射の赤方偏移測定における系誤差を回避すること。
• 軌道上での環境変化（マイクロ重力や熱的影響など）に起因する地上での事前校正の限界を克服すること。
• コンパクトで明るい線スペクトル発光体を用いて、信頼性が高く公開可能なスペクトル基準を構築すること。
• アトラスを用いて、天体物理学的検証のための正確な径速度および遷移確率測定を可能にすること。
• Gaia分光データにおける最初階のスペクトル形状係数を用いて、コンパクトな線発光体を同定する新規手法を開発すること。

提案手法

• 高表面輝度および強い発光線を示す特性を持つため、HASH PNデータベースから19個のコンパクトな惑星状星雲を選定した。
• 良好な視界条件下で、0.3～2.5 µmの高分解能・広幅スリットVLT/X-SHOOTERスペクトルを取得し、Euclidのスリットレス分光モードを模擬した。
• 1つの北半球のPNeに対して、Gemini North ObservatoryのGMOSおよびGNIRSを用いて追加で0.80～1.90 µmのスペクトルを取得した。
• 統合的な統計的および系誤差モデルを用いて、ヘリオセントリック真空波長の1つのアトラスにスペクトルを統合した。
• 高度な大気吸収補正および波長解の最適化を実施し、1Å未満の高精度を達成した。
• Gaia DR3データにおける最初階のスペクトル形状係数を用いた新規手法を開発し、コンパクトで強い線発光体を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトな惑星状星雲は、宇宙空間に配置されたEuclid NISP分光計の信頼性が高く、高精度な波長校正器として機能できるか？
• RQ2 宇宙飛行中に生じる環境的要因の影響を受けても、PNeの発光線を用いたNISPグリズムの波長校正で達成可能な精度はどの程度か？
• RQ3 Gaiaの最初階のスペクトル形状係数を用いることで、校正用のコンパクトで明るい線発光体を同定する手法はどの程度効果的か？
• RQ4 このアトラスは、[O iii]線の原子遷移確率の独立的検証にどの程度貢献できるか？
• RQ5 宇宙飛行中に生じる分散関数の変化が、Euclid調査における宇宙背景放射の赤方偏移測定に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• スペクトルアトラスは、可視域で0.1 Å、近赤外域で0.3 Åの統合的統計誤差および系統誤差の波長精度に達した。
• アトラスには、0.3–2.5 µmをカバーする高信噪比の多バンドスペクトルを有する19個のコンパクトな惑星状星雲が含まれており、NISP校正の包括的基準を提供する。
• Gaiaの最初階のスペクトル形状係数に基づく手法は、コンパクトな線発光体の同定に成功し、5つの新しいPN候補または既存では知られていなかった星状線発光体を同定した。
• アトラスから導出された径速度は、高精度測定と整合的であり、校正精度の妥当性が裏付けられた。
• アトラスは、[O iii]遷移確率の相対論的量子力学的計算と直接比較可能であり、単一ガウス線形フィッティングが校正チェックに十分であることが判明した。
• 1次元および2次元スペクトルの全データに加え、アトラス自体がCDSを通じて公開され、Euclidおよび他の天文ミッションの利用が可能となった。